內(nèi)充氣力式棉花高速精量排種器設計與試驗

胡夢杰 夏俊芳 鄭 侃 杜 俊 劉政源 周明寬

(1.華中農(nóng)業(yè)大學工學院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室， 武漢 430070)

0 引言

棉花是中國重要的經(jīng)濟作物與精細化工原料，棉花機械化精量直播技術具有省工節(jié)本、提質(zhì)增效等優(yōu)點[1-2]。高速精量直播技術是提高作物生產(chǎn)效率的主要途徑之一[3]。

高速精量排種器是實現(xiàn)棉花機械化高速精量播種的核心工作部件，其排種性能直接影響播種質(zhì)量[4-10]。目前，常用的棉花排種器按工作原理可分為機械式與氣力式兩類。機械式排種器在低速條件下可實現(xiàn)精量排種，但當作業(yè)速度較高時，種子破損率升高，排種精度降低，一般作業(yè)速度不超過7 km/h[11-16]。氣力式排種器的主要工作環(huán)節(jié)依靠氣流完成，不易損傷種子，排種精度高，更適于高速作業(yè)，其中，氣吸式排種器應用最為廣泛[17-19]。但由于棉種外形尺寸不規(guī)則、流動性較差[2]，現(xiàn)有棉花氣力式排種器在高速作業(yè)時存在因充種性能欠佳而導致漏播嚴重的問題。

精量排種器按充種形式分為內(nèi)充、外充、側(cè)充、側(cè)充-外充相結(jié)合等[20]，內(nèi)充種式排種器可充分利用重力、離心力和種子間相互作用力來實現(xiàn)充種，且隨著作業(yè)速度的增加，充種性能逐漸提高，因此較側(cè)充與外充形式更為優(yōu)越。針對氣力式排種器高速作業(yè)時充種性能不佳的問題，研究者對內(nèi)充充種方式進行了相關研究。劉佳等[16]基于內(nèi)充種式排種器充填優(yōu)勢與氣吹式排種器單粒留種原理設計了機械氣力組合式玉米精量排種器，在較低工作氣壓下可滿足高速作業(yè)需求。崔濤等[20]為提高排種器高速作業(yè)下的充種與清種性能，基于氣流清種與種子壓附原理設計了一種內(nèi)充氣吹式玉米精量排種器，在前進速度為8 km/h、工作壓力為5.0～7.0 kPa時，合格指數(shù)均大于86.58%。上述研究表明，現(xiàn)有內(nèi)充氣力式高速精量排種器均結(jié)合內(nèi)充與氣吹方式實現(xiàn)玉米種子的高速精量播種。而棉花種子比玉米種子外形尺寸小，且近似于卵形，其長度與寬度、厚度相差較大，若采用現(xiàn)有內(nèi)充氣力式排種器先型孔囊種、后清種機構清種的作業(yè)方式播種棉種，則隨著型孔沿底孔方向逐漸收縮，在充種過程中易出現(xiàn)型孔內(nèi)占據(jù)優(yōu)勢的單粒棉種橫跨于底孔上方一定高度處，或兩粒棉種并排卡在型孔內(nèi)，從而導致漏播或重播現(xiàn)象嚴重，難以實現(xiàn)棉花種子的高速精播作業(yè)。

本文基于棉種固有物料特性，以提高棉花排種器高速作業(yè)充填性能為目的，結(jié)合內(nèi)充充種方式與氣吸式排種器結(jié)構特點，設計一種內(nèi)充氣力式棉花高速精量排種器。該排種器利用內(nèi)充與氣流吸附方式進行雙重充種，改變棉種充填過程中的受力形式，以期提高排種器高速作業(yè)下的充種效果與作業(yè)質(zhì)量。以鄂抗棉10號棉種為試驗對象，對排種器主要工作過程進行動力學分析，確定關鍵部件結(jié)構參數(shù)，并進行臺架單因素試驗和Box-Behnken正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，以獲取排種器高速作業(yè)下主要影響因素及最佳工作參數(shù)組合。

1 總體結(jié)構與工作原理

內(nèi)充氣力式棉花高速精量排種器結(jié)構如圖1a所示，主要由前殼體、種層高度調(diào)節(jié)板、護種板、排種盤、清種撥指、氣嘴、吸孔更換板、排種軸及后殼體等部分組成。

排種器工作過程可分為充種區(qū)Ⅰ、清種區(qū)Ⅱ、攜種區(qū)Ⅲ、一次投種區(qū)Ⅳ與二次投種區(qū)Ⅴ共5個階段，如圖1b所示。排種器作業(yè)前，將種層高度調(diào)節(jié)板調(diào)至合適位置，棉種經(jīng)前殼體進入充種腔后形成種子群；排種軸在動力驅(qū)動下帶動排種盤順時針旋轉(zhuǎn)，種子群中下層棉種在重力、離心力、種子間相互作用力以及繞流阻力的作用下充入型孔內(nèi)；當型孔旋轉(zhuǎn)至清種區(qū)時，吸孔周圍多余棉種在重力與清種撥指共同作用下落回充種腔，吸附力占據(jù)優(yōu)勢的棉種隨排種盤經(jīng)攜種區(qū)進入一次投種區(qū)，在氣嘴高速氣流作用下由吸孔處吹入接種孔，轉(zhuǎn)過一定角度后到達投種區(qū)，在重力與離心力作用下經(jīng)投種口排出，完成投種過程。

2 關鍵部件設計與參數(shù)確定

2.1 排種盤結(jié)構與參數(shù)確定

排種盤是內(nèi)充氣力式高速精量排種器核心工作部件，其結(jié)構形狀與參數(shù)對排種性能具有重要影響。排種盤(包括吸孔更換板及其緊固螺釘)上設置有環(huán)形凹槽與若干均布型孔，型孔由充填孔與接種孔組成，如圖2所示。為減小后殼體上負壓氣室與排種盤因軸向線性接觸而引起氣流損失，排種盤外壁與外殼體內(nèi)壁設計為階梯形接觸。為兼顧排種器充種、清種與投種性能，排種盤內(nèi)壁設計為型孔與環(huán)形凹槽組合形式，型孔側(cè)壁在充種階段對充入其內(nèi)的棉種具有一定的托持作用，延長棉種充填時間，提高排種器高速作業(yè)下的充種性能；清種撥指與氣嘴前端分別置于環(huán)形凹槽內(nèi)，確保排種器清種與一次投種作業(yè)的順利進行。

參考《農(nóng)業(yè)機械設計手冊》，型孔輪式排種器排種盤直徑選取范圍一般為80～260 mm[14]，因排種盤直徑較大時，有利于提高充、清種性能，而過大則會增加排種器外形尺寸、制造成本與裝配難度，故綜合考慮選取排種盤外徑分別為210、222 mm，內(nèi)徑為186 mm。排種盤上型孔參數(shù)直接影響排種器充種、清種與投種環(huán)節(jié)作業(yè)質(zhì)量，其中，主要包括充填孔高度H、充填孔前端長度e1、充填孔后端長度e2、型孔寬度q等。

2.1.1充填孔高度

充填孔高度決定了型孔的充填容積，對排種器清種作業(yè)具有較大影響。由排種器工作原理可知，一次投種區(qū)Ⅳ內(nèi)，充填孔容積需容納吸孔處所吸附的棉種，故充填孔高度應滿足至少容納一層棉種。而棉花直播農(nóng)藝要求為單粒精量播種，充填孔高度增大的同時，會相應增加清種負擔，難以滿足單粒率，因此，高度的選取應在滿足要求的條件下取較小值，本文充填孔高度設計為只容納一層棉種，即充填孔高度H需滿足

Wmax

(1)

式中Wmax——棉種寬度最大值，mm

Tmin——棉種厚度最小值，mm

本文選取鄂抗棉10號作為試驗對象，棉種均經(jīng)脫絨包衣處理，表面光滑，近似于卵形，且重心靠近大頭一側(cè)[2]。隨機選取100粒棉種對其長L、寬W、厚T以及寬厚平面與小頭頂端距離與棉種長度的比值J進行測量與統(tǒng)計，其長度L正態(tài)分布均值為(9.27±0.67) mm，范圍為7.94～11.01 mm；寬度W正態(tài)分布均值為(5.14±0.37) mm，范圍為4.08～6.18 mm；厚度T正態(tài)分布均值為(4.50±0.33) mm，范圍為3.74～5.29 mm；寬厚平面距小頭頂端距離與棉種長度比值J的均值為0.59±0.06；球度φ均值為0.65±0.04。

因排種器采用負壓氣室經(jīng)吸孔吸種，吸孔直徑d參考《農(nóng)業(yè)機械設計手冊》按經(jīng)驗公式選取，一般為[14]

(2)

將Wmax=6.18 mm，Tmin=3.74 mm代入式(1)中有6.18 mm

2.1.2充填孔長度

充填孔長度決定了棉種在充種階段是否具有足夠的時間與空間落入充填孔，對排種器充種性能具有重要影響。由排種器工作原理可知，棉種充填過程中主要受力有重力、離心力、種子間相互作用力以及繞流阻力。根據(jù)動態(tài)落粒拱原理，種子間相互作用力可忽略不計[21]。且已有學者研究表明[22]，排種器作業(yè)過程中，充種區(qū)內(nèi)種子作環(huán)流運動，與排種盤環(huán)形內(nèi)壁直接接觸的內(nèi)層棉種角速度取值范圍為[0，ω]，ω為排種盤旋轉(zhuǎn)角速度，因排種器為內(nèi)充充種形式，其離心力方向與棉種充填方向一致，有利于種子充填，為確保充種可靠，令排種盤型孔處環(huán)形內(nèi)壁上處于臨界充填狀態(tài)的棉種角速度為零，即下面僅考慮棉種在重力與繞流阻力共同作用下完成充填所需的充填孔長度。

2.1.2.1充種過程中繞流阻力的確定

繞流阻力可改變棉種充填軌跡，進而影響對充填孔長度的確定。為進一步分析充種過程中繞流阻力變化規(guī)律，以充填孔邊沿處處于臨界運動狀態(tài)下的單粒棉種為研究對象，建立如圖3a所示充種力學模型：為簡化分析與計算，將棉種視為剛性橢球體[22]，其質(zhì)心為幾何中心并設為坐標原點O1，XY平面經(jīng)過棉種質(zhì)心O1且垂直于排種盤中心軸線，Y軸經(jīng)過棉種質(zhì)心，其正方向背離排種盤中心線，X軸經(jīng)過棉種質(zhì)心，垂直于Y軸且指向所充填的型孔E內(nèi)側(cè)，Z軸與排種盤中心軸線平行且指向環(huán)形凹槽一側(cè)。

根據(jù)物體繞流阻力理論可知，棉種所受氣體繞流阻力為[23]

(3)

式中FD——物體繞流阻力，N

CD——阻力系數(shù)

ρ——空氣密度，kg/m3

As——物體在垂直于流體速度方向上的投影面積，m2

Δv——流體與物體相對速度，m/s

由式(3)可知，棉種所受繞流阻力FD和As、Δv以及CD有關。在充種區(qū)域內(nèi)，繞流阻力FD沿Y軸正方向存在分量，有助于棉種充填，為確保充種可靠，投影面積As選取棉種最小投影面積，即

(4)

式中Wmin——棉種寬度最小值，mm

因型孔更換板上底面為平面，吸孔外部氣流場呈放射狀圓錐體分布，錐角由吸孔結(jié)構尺寸決定，以錐頂為中心的球面為等勢面，其上氣流速度均相等[2,24]。本文吸孔結(jié)構采用直通形圓柱孔，根據(jù)流體連續(xù)性方程，單位時間內(nèi)任意等勢面上所流過的氣流量與通過吸孔外側(cè)圓形端面的氣流量相等[25]，假設空氣為理想氣體，沿吸孔軸線方向做等熵流動，吸孔內(nèi)外兩側(cè)氣壓恒定，則與吸孔外側(cè)端面圓心處距離為l的等勢面上任意一點氣流速度為[26-27]

(5)

式中vl——距離錐頂l處等勢面上任意一點的氣流速度，m/s

λ——氣流場錐角，(°)

k——氣體絕熱指數(shù)

RT——氣體常數(shù)，J/(kg·K)

T0——氣體絕對溫度，K

p0——大氣壓力，Pa

Δp——吸孔內(nèi)外兩側(cè)壓差，Pa

為獲得氣流與棉種相對速度Δv，建立棉種所充填的型孔E處的XY平面力系投影圖，如圖3b所示，令棉種質(zhì)心沿Z軸與吸孔中心平面的距離為a，充填孔長度為e，且棉種處于型孔E側(cè)壁邊沿臨界運動狀態(tài)時的時刻為起始時刻t=0，此時棉種質(zhì)心坐標(Sx0，Sy0，Sz0)=(0，0，0)，經(jīng)過t時刻(棉種未完全充入型孔)后，棉種運動至K點，其質(zhì)心坐標為(Sxt，Syt，Szt)。由幾何關系可得，t時刻型孔E處吸孔外側(cè)圓形端面圓心坐標(S′xt，S′yt，S′zt)和棉種與流體沿氣流方向相對速度Δvt可分別表示為

(6)

式中R——排種盤內(nèi)圓半徑，mm

lt——t時刻種子質(zhì)心與吸孔外側(cè)端面圓心的距離，mm

Δvt——t時刻棉種與流體沿氣流方向的相對速度，m/s

vxt——t時刻棉種沿X軸方向分速度，m/s

vyt——t時刻棉種沿Y軸方向分速度，m/s

vzt——t時刻棉種沿Z軸方向分速度，m/s

由公式(3)可知，阻力系數(shù)對物體繞流阻力具有直接影響。因棉種外形近似于卵形，參考H?LZER等[28]非球形顆粒阻力系數(shù)計算公式，結(jié)合t時刻棉種顆粒雷諾數(shù)Re=deρΔvt/η，聯(lián)立公式(3)、(4)，可得t時刻棉種所受流體繞流阻力為

(7)

式中de——棉種顆粒等效球直徑，mm

η——流體動力粘度，Pa·s

φa——棉種顆粒縱向球度

φb——棉種顆粒橫向球度

由公式(6)、(7)可看出，種子充填過程中，棉種和流體相對速度Δvt與吸孔直徑的平方d2成正比、與吸孔內(nèi)外兩側(cè)壓差Δp成正比，且與棉種距吸孔外側(cè)端面圓心的距離lt、棉種下落速度和方向(vxt，vyt，vzt)有關。繞流阻力FDt與棉種和流體相對速度Δvt呈正相關，與棉種幾何形態(tài)(de、φ)呈負相關，且與棉種處于氣流場中的姿態(tài)(φa、φb)有關。

2.1.2.2棉種充填過程分析與充填孔長度確定

充填過程中，棉種在重力與繞流阻力作用下充入充填孔，如圖3所示，對棉種進行受力分析，得t時刻棉種動力學方程為

(8)

其中

(9)

式中axt——t時刻棉種沿X軸方向加速度，m/s2

ayt——t時刻棉種沿Y軸方向加速度，m/s2

azt——t時刻棉種沿Z軸方向加速度，m/s2

G——棉種顆粒所受重力，N

m——棉種顆粒質(zhì)量，kg

g——重力加速度，m/s2

θ——重力與Y軸夾角，(°)

φ——t時刻棉種所受繞流阻力FDt在XY平面的分力F′Dt與X軸夾角，(°)

φ1——t時刻棉種所受繞流阻力FDt與XY平面的夾角，(°)

假設在一段微小時間增量Δt中，棉種所受繞流阻力不變，即棉種運動加速度恒定，根據(jù)運動學公式可得棉種由t時刻運動至t+Δt時刻，其質(zhì)心速度(vxt+Δt，vyt+Δt，vzt+Δt)與坐標(Sxt+Δt，Syt+Δt，Szt+Δt)分別為

(10)

結(jié)合棉種初始時刻速度vx0=vy0=vz0=0，聯(lián)立公式(6)～(10)，基于Matlab軟件積分求解并繪制出棉種質(zhì)心與吸孔中心平面距離a(a∈[0，8 mm])不同取值時，棉種從初始位置下落至充入充填孔(Sy=Tmax/2)過程中其質(zhì)心軌跡曲線圖，如圖4所示。因Δt選取較大時，易導致軌跡曲線嚴重偏離棉種質(zhì)心真實軌跡，而選取過小則會大幅增加計算量，綜合考慮本文時間增量取值為Δt=10-6s，且經(jīng)Matlab計算驗證隨著時間增量進一步減小，棉種質(zhì)心軌跡曲線無明顯變化，且充填孔長度初定為e=16 mm。其余各參數(shù)經(jīng)前文分析與查閱文獻[24]分別確定為R=93 mm，H=7 mm，ˉT=4.50 mm，d=3.1 mm，λ=180°，ω=3.13 rad/s，ρ=1.205 kg/m3，k=1.41，RT=287 J/(kg·K)，T0=293 K，p0=101.3 kPa，Δp=1 000 Pa，η=1.811×10-5Pa·s，m=9.45×10-5kg，θ=30°，de=5.985 mm，φ=0.646，φa=0.187，φb=1.549。

由圖4可知，當棉種質(zhì)心與吸孔中心平面距離a=0時，重力和繞流阻力與吸孔中心平面重合，棉種質(zhì)心軌跡曲線亦處于吸孔中心平面內(nèi)，而當a取其余不同時，繞流阻力作用棉種質(zhì)心軌跡曲線在Z軸方向均存在位移。同時，隨著a的增大，在充入充填孔Sy=Tmax/2位置處時，棉種質(zhì)心沿X軸方向的位移呈逐漸增大趨勢，但增量較小，均在0.001 mm之內(nèi)，沿Z軸方向的位移先增大后減小，且與沿X、Y軸方向的位移相差3個數(shù)量級，結(jié)合動力學方程可知，棉種充填過程中繞流阻力對其影響作用遠小于重力。由于繞流阻力沿Y軸正方向存在分量，有利于棉種充填，且棉種質(zhì)心沿X軸方向的位移隨棉種質(zhì)心與吸孔中心平面距離的增大而緩慢增大，為確保充種可靠，選取棉種質(zhì)心與吸孔中心平面距離a=8 mm條件下，棉種下落至充入充填孔(Sy=Tmax/2)時，其質(zhì)心沿X軸方向的位移Sx與充種時長t隨充填孔長度e(e≥12 mm)的變化規(guī)律，如圖5所示。

由圖5可知，當充填孔長度e為12～30 mm時，棉種所需充種時長t與沿X軸方向的位移Sx均為定值(t=0.024 9 s，Sx=1.526 mm)，表明當棉種質(zhì)心與吸孔中心平面距離a=8 mm時，棉種所受繞流阻力對棉種充填產(chǎn)生的影響微小，此時棉種充入充填孔所需長度即為充填孔臨界最小值，由棉種充填過程可知，為確保排種器高速作業(yè)下棉種順利充種，充填孔長度e需大于或等于充種時長內(nèi)排種盤內(nèi)圓所轉(zhuǎn)過的弧長、棉種沿X軸方向運動的位移、棉種最長長半軸之和，即

(11)

將R=93 mm、ω=3.13 rad/s、t=0.024 9 s、Sx=1.526 mm、Lmax=11.01 mm代入式(11)，經(jīng)計算得充填孔長度e≥14.28 mm。

考慮到棉種隨吸孔運動至一次投種區(qū)時，需在氣嘴高速氣流作用下由吸孔處吹入接種孔，為使棉種順利投種，吸附于吸孔處的棉種，其質(zhì)心應位于充填孔長度范圍之內(nèi)，即充填孔長度需滿足e>2JLmax+dmax，其中吸孔直徑最大值dmax=3.5 mm，代入相關參數(shù)得e>16.49 mm。因充填孔長度選取越大越有利于棉種的一次投種，但會削弱型孔結(jié)構強度，且對型孔數(shù)目的確定具有一定限制作用，而一次投種區(qū)內(nèi)，棉種能否順利吹入充填孔僅與其前端長度相關聯(lián)，而中后端僅需滿足棉種在氣流作用下可順利通過即可。故綜合考慮，在滿足排種器充填性能條件下，將型孔中充填孔設計近似為倒梯形，接種孔設計為矩形，如圖2所示。充填孔前端長度e1設計較大，有利于棉種順利進入相應充填孔，中后端尺寸逐漸收縮，在高速氣流下對棉種一次投種具有一定引導作用，并且增加型孔結(jié)構強度。結(jié)合上述分析，充填孔前端長度確定為e1=18 mm，充填孔后端長度e2即接種孔長度確定為e2=14 mm，充填孔側(cè)壁為圓心在吸孔外側(cè)圓形端面中心且經(jīng)過充填孔前端端點的圓弧及其與充填孔后端端點的切線，型孔側(cè)壁均倒角1.5 mm×7 mm，此時，經(jīng)測量最大充填孔長度emax為19.53 mm，最小充填孔長度emin為15.81 mm，均大于其臨界最小值，滿足充種階段棉種充填要求。在型孔設計參數(shù)滿足上述尺寸基礎上，排種盤型孔數(shù)目的選取應確保兩相鄰型孔間結(jié)構尺寸互不干涉，則型孔數(shù)目K需滿足K≤π/arcsin(emax/(2R))，代入相關參數(shù)可得K≤29.86。因型孔數(shù)目的增多有利于提高排種器充填性能，而過多時易導致型孔結(jié)構強度減弱，綜合考慮型孔數(shù)目確定為K=28。

2.1.3型孔寬度

排種器采用清種撥指實現(xiàn)清種，如圖6a所示，清種撥指前端置于環(huán)形凹槽內(nèi)，底部通孔經(jīng)螺栓連接固定于底座上，其安裝位置可沿排種盤軸向調(diào)節(jié)，清種撥指前端面與吸孔中心平面距離為清種距離Sq，而型孔寬度q決定了排種器最小清種距離即清種撥指至多可覆蓋的吸孔端面面積，直接影響清種效果。因型孔寬度越大，吸孔處于充填孔中的面積區(qū)域增大，排種器充種過程中，在充填孔側(cè)壁的支撐下吸孔附近聚集的棉種數(shù)量增多，從而提高充填效率，且吸孔位于一次投種區(qū)時，棉種在氣嘴高速氣流的作用下更易于吹入接種孔，有利于順利投種。而當吸孔處于清種區(qū)時，清種撥指由于充填孔前端干涉，所能覆蓋的吸孔區(qū)域有限，在清種階段難以實現(xiàn)精量。因此，型孔寬度的設計需綜合考慮排種器充、清與投種效果。現(xiàn)以單粒棉種為研究對象對排種器清種過程進行動力學分析，如圖6b所示。

在清種階段，吸附于吸孔上的棉種在重力、離心力、吸附力以及吸孔對棉種的支持力共同作用下不發(fā)生滑落、滾落的臨界條件為[29]

(12)

其中

Fl=mR1ω2

式中Fl——棉種所受離心力，N

Fp——清種階段棉種所受吸附力，N

θ1——棉種所受離心力與排種盤水平中心線夾角，(°)

B——棉種質(zhì)心與吸孔端面的距離，mm

R1——棉種質(zhì)心所在位置半徑，mm

由于棉種外形尺寸不規(guī)則，充種階段單粒棉種難以將吸孔完全封閉，易出現(xiàn)重吸現(xiàn)象。當多粒棉種同時吸附于吸孔端面時，每粒棉種所占據(jù)的吸孔面積均不相同，定義棉種i所占據(jù)吸孔面積為Si，吸孔端面面積為Sd，棉種i所占據(jù)吸孔面積比例系數(shù)ki=Si/Sd，則棉種i所受吸孔吸附力為

(13)

聯(lián)立式(12)、(13)可得

(14)

由圖7可知，棉種所需占據(jù)面積隨吸孔直徑的變化較排種盤角速度變化更為顯著，且吸孔直徑越小，棉種所需占據(jù)面積越大，以使吸附力滿足棉種隨排種盤勻速旋轉(zhuǎn)而不發(fā)生滑落或滾落。當2.7 mm≤d≤3.9 mm、0≤ω≤4.00 rad/s時，棉種所需占據(jù)面積比例系數(shù)ki均小于0.4，即清種撥指所能遮擋的吸孔面積應超過吸孔端面面積的60%才能保證單粒率。但此數(shù)據(jù)為單粒棉種在理想吸附狀態(tài)下經(jīng)理論計算得出，而排種器實際作業(yè)過程中，當多粒棉種同時吸附于吸孔時，棉種質(zhì)心偏離于吸孔中心軸線，且種子間因外形尺寸不規(guī)則無法完全貼合而存在氣壓損失，同時，棉種不可避免會受到外界振動、沖擊等影響，均易造成過度清種。因此，遵循“寧重不漏”原則，參考學者前期研究[29-30]，將棉種所需最小占據(jù)面積比例系數(shù)適當擴大，結(jié)合排種器工作原理，兼顧充、清與投種性能，本文選取清種撥指至多覆蓋吸孔面積50%，即充填孔前端面與吸孔中心平面重合，此時型孔寬度q=25 mm，且經(jīng)排種器預試驗觀察到，在清種撥指作用下，此型孔寬度可滿足棉種單粒播種要求。

2.2 氣嘴出口截面尺寸確定

由排種器工作原理可知，氣嘴位于一次投種區(qū)內(nèi)，結(jié)合外部風機輸入的高速氣流將吸孔處所吸附的棉種吹入接種孔，以使排種器順利完成投種作業(yè)。為避免棉種在進入一次投種區(qū)前因離開負壓氣室而落入環(huán)形凹槽造成漏播，本文設置氣嘴所在的一次投種區(qū)與負壓氣室存在重疊區(qū)域。因此，為確保棉種順利進入接種孔，需使一次投種區(qū)內(nèi)，仍與負壓氣室相連通的吸孔上所吸附的棉種在氣嘴氣流作用下可吹離吸孔進入充填孔內(nèi)，現(xiàn)以單粒棉種為研究對象，對其臨界運動狀態(tài)進行動力學分析，建立如圖8a所示力學模型：以棉種質(zhì)心為坐標原點O2，X軸與排種盤中心軸線平行且方向背離環(huán)形凹槽一側(cè)，Y軸與棉種所受離心力方向垂直且正方向為豎直向下，Z軸與棉種所受離心力方向一致。圖8b、8c為平面力系投影圖。

由受力分析可知，棉種順利進入接種孔所受繞流阻力需滿足

(15)

式中Ff——型孔對棉種的摩擦力，N

FN——棉種所受型孔支持力，N

Fq——一次投種階段棉種所受吸附力，N

β——型孔對棉種的摩擦力與棉種所受繞流阻力的夾角，(°)

γ——棉種與型孔間滑動摩擦角，(°)

θ2——Z軸與排種盤水平軸線夾角，θ2∈[0°，8°]

k0——綜合比例系數(shù)，k0為0.35～1.55[31]，取k0=1.00

結(jié)合繞流阻力計算公式(3)、(4)，可得氣嘴出口流速v1應滿足

(16)

由式(16)可知，氣嘴出氣口處最小流速隨排種盤角速度、吸孔直徑、負壓的增大而增大，經(jīng)前期預試驗得排種盤角速度、吸孔直徑與負壓最大取值分別為ω=3.75 rad/s(前進速度為12.0 km/h)，d=3.5 mm，Δp=1 600 Pa，代入其他相關參數(shù)，由式(16)計算得氣嘴出氣口流速v1>54.88 m/s。

因氣嘴出口截面置于排種盤環(huán)形凹槽內(nèi)圓面與護種板之間，氣流作用區(qū)域包含棉種質(zhì)心時繞流阻力對棉種推動力較大，而一次投種區(qū)域內(nèi)棉種質(zhì)心在排種盤環(huán)形凹槽內(nèi)圓面與護種板之間變化區(qū)間為[Tmin/2，H+HΔ-Tmin/2]，其中，充填孔高度H=7 mm，護種板與排種盤間隙HΔ=0.5 mm，則棉種質(zhì)心在環(huán)形凹槽內(nèi)徑向可移動距離為3.76 mm。由于氣嘴出氣口截面積一定時，截面寬度b越小，氣嘴出氣口弧長相應增長，排種盤高速旋轉(zhuǎn)下棉種所受氣流作用時間延長，有利于順利投種，故選取氣嘴出口處截面寬度為b=4 mm，出口處外側(cè)內(nèi)壁半徑為R2=98.2 mm，出口處內(nèi)側(cè)內(nèi)壁半徑為R3=94.2 mm，完全覆蓋棉種質(zhì)心區(qū)域。因氣嘴出氣口流速須滿足上述速度要求，若出口截面積選取較大時，對進氣口工作壓強要求較高，本文采用出口截面積小于進口截面積，以降低風壓需求，則氣嘴出氣口截面所對應的圓心角θ3需滿足

(17)

式中d1——氣嘴進氣口截面直徑，mm

將d1=16 mm、R2=98.2 mm、R3=94.2 mm代入式(17)得θ3<29.94°，考慮到出氣口截面積選取較小時，氣流速度雖然較大，但作用時間短，難以保證在排種盤高速旋轉(zhuǎn)下棉種完全進入接種孔，故本文選取氣嘴出氣口截面所對應的圓心角θ3=29°。

3 性能試驗

3.1 試驗材料及裝置

試驗材料選用鄂抗棉10號脫絨包衣棉種，其千粒質(zhì)量為94.5 g，濕基含水率為8.92%，自然休止角為49.77°。排種器關鍵部件均采用中瑞科技iSLA660工業(yè)級光固化3D打印機(精度為0.05 mm)，利用激光固化成型技術將光敏樹脂以分層制造方式加工而成，且滿足排種器作業(yè)要求。試驗裝置采用JPS-12型排種器試驗臺，檢測裝置采用課題組自主研制的大中籽粒排種器性能檢測裝置，如圖9所示。

3.2 試驗方法與評價指標

參照國標GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，在排種器穩(wěn)定工作狀態(tài)下，連續(xù)檢測并記錄排種時間間隔，每251粒種子為1組，每組試驗重復3次。以粒距合格指數(shù)A、重播指數(shù)D與漏播指數(shù)M作為試驗評價指標。

3.3 試驗設計

根據(jù)前期理論分析與預試驗發(fā)現(xiàn)，氣嘴經(jīng)外部風機持續(xù)向排種器內(nèi)腔輸入恒定正壓氣流使得排種器內(nèi)部中間氣室壓力分布不均勻，但此現(xiàn)象對排種器各工作環(huán)節(jié)正常作業(yè)與排種性能影響較小。且影響內(nèi)充氣力式排種器排種性能的主要因素為清種距離、吸孔直徑、前進速度以及負壓，故以上述因素為影響因子開展排種性能試驗，并與傳統(tǒng)垂直圓盤氣吸式排種器進行高速條件下排種性能對比試驗。

(1)以清種距離為影響因子開展單因素試驗，探究清種距離為1.0～3.0 mm時對試驗指標的影響規(guī)律。

(2)基于上述試驗所得最佳清種距離，選取吸孔直徑、前進速度、負壓為主要影響因素，開展內(nèi)充氣力式排種器Box-Behnken中心組合設計試驗，并獲得最佳工作參數(shù)組合。其中，根據(jù)前期預試驗，確定各影響因子工作范圍，因素編碼如表1所示。

表1 因素編碼

(3)基于上述試驗所確定最佳工作參數(shù)組合，開展前進速度8.0～12.0 km/h范圍內(nèi)，內(nèi)充氣力式排種器與河北農(nóng)哈哈機械集團有限公司生產(chǎn)的垂直圓盤氣吸式排種器(吸孔數(shù)為18個)排種性能對比試驗。

3.4 試驗結(jié)果與分析

3.4.1清種距離單因素試驗

設定吸孔直徑為3.1 mm，前進速度為10.0 km/h，負壓為1 000 Pa，開展清種距離單因素試驗，每組水平重復3次，試驗結(jié)果取其平均值，如圖10所示。

由圖10可知，隨著清種距離的增加，排種合格指數(shù)呈先增大后降低的趨勢，重播指數(shù)逐漸增大，漏播指數(shù)逐漸降低。當清種距離為1.0 mm時，漏播指數(shù)達到38.71%，此時，清種撥指所占吸孔面積相對較大，清種力度過強，進而影響單粒棉種的正常吸附，隨著清種距離的增加，漏播指數(shù)急劇降低，合格指數(shù)快速增大，當清種距離增至2.0 mm時，漏播指數(shù)小于4%。因此，為確保清種撥指的安裝位置不影響單粒棉種的正常吸附，清種距離應不小于2.0 mm，且當清種距離為2.0 mm時，合格指數(shù)達到最大值93.14%。

3.4.2Box-Behnken中心組合設計試驗

基于上述清種距離單因素試驗，為獲取排種器較優(yōu)參數(shù)組合，清種距離設定為2.0 mm，結(jié)合試驗設計方案共開展17組試驗，試驗結(jié)果如表2所示。X1、X2、X3分別為吸孔直徑x1、前進速度x2、負壓x3的編碼值。

表2 Box-Behnken試驗設計與結(jié)果

為進一步分析各試驗因素及其交互作用對試驗指標的影響規(guī)律，采用Design-Expert 10.0.4對試驗結(jié)果進行多元回歸擬合，建立試驗指標與各因素的二次回歸模型，其顯著性檢驗結(jié)果如表3所示。

表3 Box-Behnken試驗結(jié)果及回歸方程方差分析

(18)

(19)

(20)

為直觀分析三因素交互作用對排種合格指數(shù)的影響效應，利用Design-Expert 10.0.4降維繪制出相應響應曲面圖，如圖11所示。

由圖11a可知，負壓為1 000 Pa，前進速度恒定的情況下，排種合格指數(shù)隨吸孔直徑的增大先增加后降低，同一吸孔直徑下，排種合格指數(shù)隨前進速度的增大先增加后降低，由等高曲線可知，前進速度為6～10 km/h，吸孔直徑為2.7～3.3 mm時，合格指數(shù)存在最大值。

由圖11b可知，前進速度為9.0 km/h時，同一負壓下，排種合格指數(shù)隨吸孔直徑的增大先增加后降低；同一吸孔直徑下，合格指數(shù)隨負壓的增大先增加后降低。當負壓過小時，吸孔漏吸或棉種吸附狀態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象較多，隨著負壓的增大，漏播減小，而當負壓過大時，重播現(xiàn)象隨之增多，合格指數(shù)降低。由等高曲線可知，吸孔直徑為2.7～3.3 mm，負壓為800～1 400 Pa時，排種合格指數(shù)存在最大值。

由圖11c可知，吸孔直徑為3.1 mm時，同一前進速度下，合格指數(shù)隨負壓的增大先增加后降低；同一負壓下，合格指數(shù)隨前進速度的增大先增加后降低。 由等高曲線可知，前進速度為6～10 km/h，負壓為800～1 400 Pa，合格指數(shù)存在最大值。

同時，由圖11響應曲面變化幅度可知，吸孔直徑對排種合格指數(shù)的影響顯著小于前進速度和負壓，與方差分析中顯著性檢驗一致。

為尋找排種性能最優(yōu)狀態(tài)下的各因素參數(shù)組合，以合格指數(shù)最大、重播與漏播指數(shù)最小為最終優(yōu)化目標，結(jié)合邊界條件，對所建立的二次回歸模型開展多因素優(yōu)化求解，其目標函數(shù)與約束條件為

(21)

運用Design-Expert 10.0.4優(yōu)化模塊求解得：吸孔直徑為2.9 mm，前進速度為8.4 km/h，負壓為1 150 Pa時，排種性能達到最優(yōu)，合格指數(shù)為96.21%，重播指數(shù)為2.34%，漏播指數(shù)為1.45%。為驗證優(yōu)化數(shù)據(jù)可靠性，進行3次臺架重復試驗，其平均值為合格指數(shù)96.48%、重播指數(shù)2.41%、漏播指數(shù)1.11%，與軟件優(yōu)化預測結(jié)果基本一致，且優(yōu)于JB/T 10293—2013《單粒(精密)播種機技術條件》中合格指數(shù)大于等于80%、重播指數(shù)小于等于15%、漏播指數(shù)小于等于8%的要求。

3.4.3高速條件下排種性能對比試驗

基于上述因素最佳參數(shù)組合，內(nèi)充氣力式排種器各影響因素分別設定為清種距離2.0 mm，吸孔直徑2.9 mm，負壓1 150 Pa；垂直圓盤氣吸式排種器吸孔直徑設定為2.9 mm，負壓分別選取為內(nèi)充氣力式排種器最優(yōu)負壓1 150 Pa與文獻[32]中棉花播種較優(yōu)負壓4 500 Pa，且上述兩種排種器均以前進速度為8、10、12 km/h，開展排種性能對比試驗，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 對比試驗結(jié)果

由表4可知，內(nèi)充氣力式排種器在最佳參數(shù)組合下，隨著前進速度的增大，漏播逐漸增多，合格指數(shù)降低，且前進速度為8～12 km/h范圍內(nèi)時，排種合格指數(shù)均大于91%，重播指數(shù)小于3%，漏播指數(shù)小于7%，滿足棉花精量直播農(nóng)藝要求。垂直圓盤氣吸式排種器在負壓為1 150 Pa的條件下，漏播現(xiàn)象嚴重，合格指數(shù)均低于56%，當負壓增大至4 500 Pa時，排種合格指數(shù)均大于86%，且隨著前進速度的增大，排種盤轉(zhuǎn)速增加，種子充填性能降低，漏播指數(shù)顯著增加。對比分析上述兩種排種器試驗指標可知，垂直圓盤氣吸式排種器較內(nèi)充氣力式排種器對負壓需求更高，當前進速度由8 km/h增大至10 km/h與10 km/h增大至12 km/h時，內(nèi)充氣力式排種器漏播指數(shù)分別增加1.33、3.66個百分點，垂直圓盤氣吸式排種器在負壓為4 500 Pa的條件下漏播指數(shù)分別增加3.13、6.25個百分點，且高速作業(yè)下內(nèi)充氣力式排種器排種性能優(yōu)于垂直圓盤氣吸式排種器，說明內(nèi)充與氣流吸附雙重充種方式可在較低負壓下提高氣吸式排種器充種性能及對高速作業(yè)的適應性。

4 結(jié)論

(1)針對氣力式排種器高速作業(yè)下充種性能不佳的問題，設計了一種內(nèi)充氣力式棉花高速精量排種器，以實現(xiàn)棉花高速精量播種作業(yè)。

(2)單因素試驗表明，為確保清種撥指安裝位置不影響單粒棉種的正常吸附，清種距離應不小于2.0 mm，且當清種距離為2.0 mm時，清種效果最優(yōu)。基于此清種距離設置下，通過Box-Behnken中心組合設計試驗獲得最佳工作參數(shù)組合為吸孔直徑2.9 mm、前進速度8.4 km/h、負壓1 150 Pa，經(jīng)臺架試驗驗證，其性能指標為合格指數(shù)均值96.48%、重播指數(shù)均值2.41%、漏播指數(shù)均值1.11%。

(3)排種性能對比試驗表明，內(nèi)充氣力式排種器在最佳參數(shù)組合下，在作業(yè)速度8～12 km/h范圍內(nèi)，排種合格指數(shù)均大于91%，漏播指數(shù)小于7%，滿足棉花精量直播農(nóng)藝要求；在高速作業(yè)下，內(nèi)充氣力式排種器比傳統(tǒng)垂直圓盤氣吸式排種器對負壓需求相對較低，而排種性能相對較優(yōu)。